空調(diào)水系統(tǒng)的阻力平衡是保證空調(diào)系統(tǒng)正常、有效運(yùn)行的前提，以較低的能耗，獲得舒適的室內(nèi)環(huán)境，是暖通設(shè)計(jì)者比較關(guān)心重視的問(wèn)題。為了達(dá)到水系統(tǒng)的阻力平衡，設(shè)計(jì)師一般盡可能采用同程式水系統(tǒng)，倘若條件不允許時(shí)則采用異程式水系統(tǒng)，此時(shí)系統(tǒng)可能存在水力平衡失調(diào)。當(dāng)各分區(qū)環(huán)路采用同程式系統(tǒng)時(shí)，各系統(tǒng)環(huán)路間也可能存在嚴(yán)重的阻力不平衡而導(dǎo)致水力平衡失調(diào)。因此必須通過(guò)各種調(diào)節(jié)手段使系統(tǒng)達(dá)到平衡。近年來(lái)，平衡閥因其較為完備的功能和良好的調(diào)節(jié)性能，正在越受重視和歡迎。許多設(shè)計(jì)師在設(shè)計(jì)水系統(tǒng)時(shí)傾向于使用平衡閥來(lái)進(jìn)行水力平衡，但筆者發(fā)現(xiàn)，在很多工程中，平衡閥的設(shè)置不盡合理，設(shè)計(jì)人員對(duì)各種平衡閥的應(yīng)用場(chǎng)合考慮不周。本文從平衡閥的原理入手介紹在工程實(shí)踐中如何合理地選擇平衡閥及相應(yīng)的系統(tǒng)形式。
1 平衡閥的工作原理
水力平衡設(shè)備可分為靜態(tài)水力平衡設(shè)備和動(dòng)態(tài)水力平衡設(shè)備。靜態(tài)水力平衡設(shè)備主要有靜態(tài)平衡閥，動(dòng)態(tài)水力平衡設(shè)備主要有動(dòng)態(tài)流量平衡閥、動(dòng)態(tài)壓差控制閥、動(dòng)態(tài)平衡電動(dòng)二通開(kāi)關(guān)閥、組合式或一體式動(dòng)態(tài)平衡電動(dòng)調(diào)節(jié)閥等。
靜態(tài)平衡閥在水系統(tǒng)中的作用主要是消除靜態(tài)水力失調(diào)、使系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)靜態(tài)水力平衡。動(dòng)態(tài)水力平衡設(shè)備在水系統(tǒng)中的作用主要是消除動(dòng)態(tài)水力失調(diào)，使系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)水力平衡。
1.1 靜態(tài)平衡閥
靜態(tài)平衡閥亦稱(chēng)為手動(dòng)平衡閥或手動(dòng)調(diào)節(jié)閥，是可進(jìn)行流量測(cè)定和調(diào)節(jié)的閥門(mén)，其操作方式是人工手動(dòng)調(diào)節(jié)。該平衡閥原理為可變流量的孔板，并帶有關(guān)斷功能。通過(guò)測(cè)量閥門(mén)前后測(cè)量孔的壓降，結(jié)合閥門(mén)開(kāi)度的讀數(shù)，便能換算出閥門(mén)調(diào)節(jié)后的流量。靜態(tài)平衡閥實(shí)質(zhì)上是一個(gè)具有明確的“流量-壓差-開(kāi)度”關(guān)系、清晰可調(diào)的開(kāi)度指示以及良好調(diào)節(jié)特性的阻尼調(diào)節(jié)元件。
1.2 動(dòng)態(tài)流量平衡閥
動(dòng)態(tài)流量平衡閥亦稱(chēng)自力式流量控制閥、定流量平衡閥等，是一種在閥體前后一定的壓差范圍內(nèi)能自動(dòng)保持管道的流量始終不變的閥門(mén)。
其工作原理：q=kv√△p。通過(guò)改變平衡閥的閥芯的過(guò)流面積來(lái)適應(yīng)閥門(mén)前后壓差（如圖1所示）的變化，從而達(dá)到控制流量的目的。即在一定壓差范圍內(nèi)無(wú)論閥門(mén)入口流量如何變化均可保證其出口流量恒定。它相當(dāng)于一個(gè)局部阻力可變的節(jié)流元件，該元件由可變過(guò)流面積的閥膽和高精度（±5%）的彈簧及支撐裝置構(gòu)成。彈簧受壓差的作用自動(dòng)控制閥膽上過(guò)流面積的大小，從而使通過(guò)閥門(mén)的流量恒定。流量值的大小可以根據(jù)系統(tǒng)要求進(jìn)行定制。
圖1 動(dòng)態(tài)流量平衡閥示意圖
1.3 動(dòng)態(tài)壓差控制閥
動(dòng)態(tài)壓差控制閥亦稱(chēng)自力式壓差控制閥、定壓差閥、動(dòng)態(tài)壓差平衡閥等，其工作原理：△P=（q/Kv）2。其閥體可設(shè)定壓差值，通過(guò)調(diào)整閥門(mén)自身的開(kāi)度，能自動(dòng)將系統(tǒng)兩個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)之間的壓差恒定在設(shè)定壓差值。動(dòng)態(tài)壓差控制閥示例如圖2所示。
動(dòng)態(tài)壓差控制閥是基于彈簧-隔膜組合的方法進(jìn)行設(shè)計(jì)的。彈簧拉動(dòng)平衡雙閥芯“2”打開(kāi)閥門(mén)，壓差A(yù)B施加在隔膜“3”上，產(chǎn)生一個(gè)與彈簧相反的力。壓力A通過(guò)與測(cè)量閥的排水管相連的毛細(xì)管傳到壓差控制閥上；壓力B從內(nèi)部或外部傳到隔膜的另外一側(cè)。當(dāng)壓差A(yù)B作用在隔膜上的壓力大于彈簧力時(shí)，閥門(mén)開(kāi)始按比例關(guān)小，直到找到一個(gè)新的平衡位置。這樣，在壓差控制閥上產(chǎn)生一個(gè)附加壓力降，限制了壓差△PL（通過(guò)二次回路的壓差）加大。
圖2 動(dòng)態(tài)壓差控制閥示意圖
1.4 動(dòng)態(tài)平衡電動(dòng)二通開(kāi)關(guān)閥
動(dòng)態(tài)平衡電動(dòng)二通開(kāi)關(guān)閥具有動(dòng)態(tài)平衡和電動(dòng)開(kāi)關(guān)功能，當(dāng)閥門(mén)開(kāi)啟時(shí)，它能動(dòng)態(tài)地將管道的實(shí)際流量恒定在設(shè)計(jì)流量值，并不受系統(tǒng)壓力波動(dòng)的影響。
1.5 組合式或一體式動(dòng)態(tài)平衡電動(dòng)調(diào)節(jié)閥
組合式動(dòng)態(tài)平衡電動(dòng)調(diào)節(jié)閥是將動(dòng)態(tài)壓差平衡閥與電動(dòng)調(diào)節(jié)閥組合，一體式動(dòng)態(tài)平衡電動(dòng)調(diào)節(jié)閥是把動(dòng)態(tài)壓差平衡閥與電動(dòng)調(diào)節(jié)閥集成在一個(gè)閥體內(nèi)。它既具有動(dòng)態(tài)平衡功能，即能動(dòng)態(tài)地平衡系統(tǒng)的壓力波動(dòng)，使流經(jīng)管道的流量不受系統(tǒng)壓力波動(dòng)的影響，又具有電動(dòng)調(diào)節(jié)功能，即能根據(jù)目標(biāo)區(qū)域的負(fù)荷變化自動(dòng)地調(diào)節(jié)開(kāi)度從而調(diào)節(jié)流量值，保證目標(biāo)區(qū)域的溫度始終恒定在設(shè)定溫度。
2 平衡閥在水系統(tǒng)中的合理應(yīng)用
定流量系統(tǒng)是早期的空調(diào)工程中常見(jiàn)的水力系統(tǒng)，這里不再闡述平衡閥在定流量系統(tǒng)中的應(yīng)用。近年來(lái)，隨著空調(diào)系統(tǒng)的大型化及《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》GB50189-2005的實(shí)施，越來(lái)越多的空調(diào)工程中都采用了變流量系統(tǒng)。
變流量系統(tǒng)是指系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中各分支環(huán)路的流量隨外界負(fù)荷的變化而變化。由于空調(diào)系統(tǒng)在一年的大部分時(shí)間都處于部分負(fù)荷運(yùn)行工況，因此變流量系統(tǒng)大部分時(shí)間管道流量都是低于設(shè)計(jì)流量的。變流量系統(tǒng)一般既存在靜態(tài)水力失調(diào)，又存在動(dòng)態(tài)水力失調(diào)，因此必須采取相應(yīng)的水力平衡措施來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的水力平衡，即采用靜態(tài)平衡閥實(shí)現(xiàn)靜態(tài)水力平衡，采用動(dòng)態(tài)水力平衡設(shè)備實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)水力平衡。
2.1 靜態(tài)平衡閥的應(yīng)用
變流量系統(tǒng)中靜態(tài)平衡閥用于系統(tǒng)初步調(diào)節(jié)。靜態(tài)平衡閥保證的不是系統(tǒng)中單個(gè)管道的流量值，它要維持的是在系統(tǒng)初調(diào)試時(shí)，通過(guò)靜態(tài)平衡閥的調(diào)節(jié)作用，使系統(tǒng)中各個(gè)管路的流量比值與設(shè)計(jì)流量的比值一致，這樣當(dāng)系統(tǒng)的總流量等于設(shè)計(jì)總流量時(shí)，各個(gè)末端設(shè)備及管道的流量也同時(shí)達(dá)到設(shè)計(jì)流量即所需的最大流量，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)靜態(tài)水力平衡。靜態(tài)平衡閥應(yīng)當(dāng)分級(jí)設(shè)置，表1為靜態(tài)平衡閥在空調(diào)系統(tǒng)中的安裝位置。
表1 靜態(tài)平衡閥在空調(diào)系統(tǒng)中的安裝位置
2.2 動(dòng)態(tài)流量平衡閥的應(yīng)用
動(dòng)態(tài)流量平衡閥用于系統(tǒng)中需定流量的管路。在系統(tǒng)中某一需流量恒定的設(shè)備的分支管路配置了適當(dāng)?shù)膭?dòng)態(tài)流量平衡閥后，該設(shè)備即能運(yùn)行在設(shè)計(jì)流量狀態(tài)。如果并聯(lián)的外網(wǎng)由于變動(dòng)而造成壓力的變化△P在一定范圍內(nèi)（該閥門(mén)有效范圍），則不會(huì)造成流經(jīng)該設(shè)備流量的變化。由此可見(jiàn)，動(dòng)態(tài)流量平衡閥適合安裝在冷凍機(jī)房冷熱源設(shè)備處，一方面可以保證機(jī)組在額定狀態(tài)運(yùn)行，將流量恒定在設(shè)計(jì)值，從而保護(hù)機(jī)組，另一方面提高機(jī)組的運(yùn)行效率，使系統(tǒng)運(yùn)行的水溫正常。表2為動(dòng)態(tài)流量平衡閥在空調(diào)系統(tǒng)中的安裝位置。
表2 動(dòng)態(tài)流量平衡閥在空調(diào)系統(tǒng)中的安裝位置
當(dāng)壓力處于設(shè)定范圍內(nèi)，流量隨壓力的變化并不發(fā)生變化，當(dāng)壓力在設(shè)定范圍之外，流量隨著壓力的增大而增大。
需要強(qiáng)調(diào)的是動(dòng)態(tài)流量平衡閥與電動(dòng)調(diào)節(jié)閥組合使用是不能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定末端設(shè)備流量的。因?yàn)槟┒嗽O(shè)備支路上的電動(dòng)調(diào)節(jié)閥是根據(jù)室溫要求來(lái)調(diào)整開(kāi)度進(jìn)而調(diào)節(jié)流量的，其流量是變化的，而動(dòng)態(tài)流量平衡閥作用是恒定流量，所以動(dòng)態(tài)流量平衡閥和電動(dòng)調(diào)節(jié)閥組合使用是錯(cuò)誤的。
2.3 動(dòng)態(tài)壓差控制閥的應(yīng)用
動(dòng)態(tài)壓差控制閥的作用一是被控環(huán)路出現(xiàn)外擾（網(wǎng)路的壓力波動(dòng)）和內(nèi)擾（內(nèi)部管路阻力的改變）時(shí)，使被控環(huán)路的壓差保持恒定；二是各環(huán)路間的調(diào)節(jié)互不干擾，即一個(gè)環(huán)路的調(diào)節(jié)對(duì)其它環(huán)路的流量不產(chǎn)生影響。
大中型空調(diào)系統(tǒng)分區(qū)分環(huán)路設(shè)計(jì)時(shí)，一方面由于工程設(shè)計(jì)時(shí)循環(huán)水泵是按最不利環(huán)路的阻力來(lái)選型的，對(duì)近端支路來(lái)說(shuō)，往往揚(yáng)程偏高，末端支路的調(diào)節(jié)閥就要承擔(dān)更大的壓差；另一方面各環(huán)路之間、各層支路之間壓差值可能相差很大，為避免水力平衡失調(diào)，在立管或支管上安裝壓差控制閥可以將立管或支管的壓差穩(wěn)定在合適的范圍內(nèi)，各回路的調(diào)節(jié)互不干擾，可獨(dú)立進(jìn)行平衡。
動(dòng)態(tài)壓差控制閥與電動(dòng)調(diào)節(jié)閥可配合使用（即組合式動(dòng)態(tài)平衡電動(dòng)調(diào)節(jié)閥）。一般電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的尺寸選擇均偏大，造成電動(dòng)閥大部分時(shí)間在較小開(kāi)度下工作，導(dǎo)致其兩端壓差增大，不僅使閥的控制不穩(wěn)定、不精確，而且電動(dòng)閥的噪聲隨著壓差增大而增大；另外閥全開(kāi)時(shí)將使被控末端設(shè)備出現(xiàn)過(guò)流。一個(gè)簡(jiǎn)單的解決方法是與電動(dòng)閥串聯(lián)一個(gè)靜態(tài)平衡閥，消耗一部分壓差，使閥門(mén)開(kāi)度變大，從而將流量限制到設(shè)計(jì)值。進(jìn)一步更好的解決辦法是，采用動(dòng)態(tài)壓差控制閥與靜態(tài)平衡閥組合設(shè)置在電動(dòng)閥兩端，用動(dòng)態(tài)壓差控制閥控制電動(dòng)閥的進(jìn)出口壓差，使之基本恒定，從而避免調(diào)節(jié)閥閥權(quán)度過(guò)小影響其調(diào)節(jié)能力，使調(diào)節(jié)閥控制的流量恒定。外網(wǎng)的壓力波動(dòng)和末端設(shè)備的壓降變化，均由動(dòng)態(tài)壓差控制閥吸收。表3為動(dòng)態(tài)壓差控制閥在空調(diào)系統(tǒng)中的安裝位置。
表3 動(dòng)態(tài)壓差控制閥在空調(diào)系統(tǒng)中的安裝位置
2.4 平衡閥應(yīng)用于末端設(shè)備
動(dòng)態(tài)平衡電動(dòng)二通開(kāi)關(guān)閥主要應(yīng)用于風(fēng)機(jī)盤(pán)管處，一方面，它具有傳統(tǒng)電動(dòng)開(kāi)關(guān)閥的電動(dòng)開(kāi)關(guān)功能；另一方面，它又能在閥門(mén)開(kāi)啟時(shí)將流量始終恒定在風(fēng)機(jī)盤(pán)管的設(shè)計(jì)流量。
組合式或一體式動(dòng)態(tài)平衡電動(dòng)調(diào)節(jié)閥主要應(yīng)用于空調(diào)箱、空氣處理機(jī)組和新風(fēng)機(jī)組處。
2.5 變流量系統(tǒng)中平衡閥應(yīng)用系統(tǒng)形式
①末端設(shè)備使用動(dòng)態(tài)平衡電動(dòng)二通開(kāi)關(guān)閥及一體式或組合式動(dòng)態(tài)平衡電動(dòng)調(diào)節(jié)閥（圖3）
圖3 平衡閥應(yīng)用于變流量空調(diào)水系統(tǒng)形式一
通過(guò)分級(jí)設(shè)置靜態(tài)平衡閥，使系統(tǒng)初調(diào)試時(shí)，各個(gè)末端裝置獲得設(shè)計(jì)流量，實(shí)現(xiàn)靜態(tài)水力平衡；通過(guò)設(shè)置動(dòng)態(tài)水力平衡設(shè)備，使系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中各個(gè)末端設(shè)備的流量同時(shí)達(dá)到系統(tǒng)瞬時(shí)負(fù)荷要求流量，且這些流量之間的調(diào)節(jié)不互相干擾，從而實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)水力平衡。
這種系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)是控制穩(wěn)定精確；由于末端流量實(shí)時(shí)滿足要求，系統(tǒng)會(huì)獲得自動(dòng)的平衡，不需要其它平衡過(guò)程；維修時(shí)影響的范圍小，某一末端設(shè)備的關(guān)斷不影響其它設(shè)備的正常使用。缺點(diǎn)是初投資較高。對(duì)于一些需要精確控制溫度的場(chǎng)所，如計(jì)算機(jī)房、醫(yī)院手術(shù)室、工業(yè)廠房等建筑，可以采用這種方案。
②動(dòng)態(tài)壓差控制閥與靜態(tài)平衡閥組合使用（圖4，5）
圖4 平衡閥應(yīng)用于變流量空調(diào)水系統(tǒng)型式二
圖5 平衡閥應(yīng)用于變流量空調(diào)水系統(tǒng)形式三
當(dāng)系統(tǒng)水平面積較大時(shí)，可在支路上劃分更小的支路，如圖4中的A支路，在小支路上設(shè)置壓差控制閥以提高系統(tǒng)控制的靈敏度；當(dāng)連接支路的末端設(shè)備較少時(shí)，宜在立管上設(shè)置壓差控制閥以提高經(jīng)濟(jì)性（如圖5）。這兩種系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)是舒適性較好，減小電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的噪聲，簡(jiǎn)化了平衡與調(diào)試工作，試運(yùn)行能分階段直接進(jìn)行，而且初投資較低。對(duì)于大型商場(chǎng)、寫(xiě)字樓、高級(jí)公寓或酒店等建筑，并不是所有樓層都能同時(shí)賣(mài)完或出租出去，將動(dòng)態(tài)壓差控制閥設(shè)置在支路上，穩(wěn)定支路上的壓差，支路之間不需要進(jìn)行平衡，因此，空調(diào)系統(tǒng)可以分層分段投入使用，而且新支路的加入不會(huì)影響其它已經(jīng)運(yùn)行的支路。
3 平衡閥安裝注意事項(xiàng)
3.1 為使平衡閥前后的水流穩(wěn)定，保證測(cè)量精度，平衡閥應(yīng)安裝在直管段上，即平衡閥前后各至少有5倍和2倍管徑長(zhǎng)的直管管段。若平衡閥設(shè)在水泵的出口管段上，閥前則需有10倍管徑長(zhǎng)的直管段。
3.2 安裝過(guò)程中，保證閥體箭頭所示的方向與實(shí)際水流方向一致，切忌安裝方向相反。
3.3 平衡閥的手柄和測(cè)壓小孔應(yīng)調(diào)整到面向檢修側(cè)，以便于操作和檢修。
3.4 在整個(gè)空調(diào)水系統(tǒng)調(diào)試完畢后，必須做好平衡閥的保溫。
4 結(jié)語(yǔ)
空調(diào)水系統(tǒng)的根本水力平衡在于管網(wǎng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)組織，要通過(guò)計(jì)算使其處于基本的平衡狀態(tài)，而不要因使用某些裝置（如平衡閥）而忽略這個(gè)基本工作。
平衡閥的應(yīng)用為空調(diào)水系統(tǒng)的平衡提供了一種解決方案。各種平衡閥原理不同，作用也不同。靜態(tài)平衡閥一旦設(shè)定，相當(dāng)于局部阻力不會(huì)發(fā)生變化的節(jié)流元件，其控制對(duì)象為系統(tǒng)的阻力，開(kāi)度的變化引起阻力的變化，進(jìn)而達(dá)到調(diào)節(jié)流量的目的，靜態(tài)平衡閥的調(diào)節(jié)可以保證各支路間的流量分配更加合理。壓差控制閥控制的對(duì)象為系統(tǒng)的壓力，當(dāng)供回水管壓力增大或減小時(shí)，控制閥門(mén)相應(yīng)關(guān)閉或開(kāi)啟，以保持差壓的穩(wěn)定，動(dòng)態(tài)壓差控制閥可將管路系統(tǒng)分成若干個(gè)相對(duì)獨(dú)立的區(qū)域，區(qū)域間互不影響。動(dòng)態(tài)流量平衡閥相當(dāng)于局部阻力可以發(fā)生變化的節(jié)流元件，其控制對(duì)象為系統(tǒng)的流量，當(dāng)壓力處于設(shè)定范圍內(nèi)，流量隨壓力的變化并不發(fā)生變化，動(dòng)態(tài)流量平衡閥可用于需定水量的支路，避免其他支路流量變化時(shí)對(duì)其的影響。
只有正確合理的應(yīng)用，才能有效的解決水力失調(diào)問(wèn)題，確?？照{(diào)水系統(tǒng)高效合理的運(yùn)行。在工程設(shè)計(jì)中，我們應(yīng)當(dāng)根據(jù)工程項(xiàng)目的投資、規(guī)模及系統(tǒng)精度要求，在滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求的前提下，合理的選擇水力平衡設(shè)備和系統(tǒng)形式，為建設(shè)方節(jié)約資金。
參考文獻(xiàn)
[1] Robert Petitjean著 全面水力平衡暖通空調(diào)水力系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用手冊(cè)[M] 中國(guó)工業(yè)出版社，2007.
[2] 王曉松 變流量系統(tǒng)動(dòng)態(tài)水力平衡設(shè)備能否取代靜態(tài)水力平衡閥[J] 暖通空調(diào)副刊 2007，37（5）：28-30.
